tipy_lazerov_i_rezhimy

Так как размеры a и, особенно, p-n малы(доли-единицы миллиметров и единицы микрон соответственно), будут сильно проявляться дифракционные явления, приводящие к

увеличению расходимости выходящего излучения:

D > Dװ

Т.е. расходимость выходящего излучения в плоскости, перпендикулярной p-n переходу будет заметно больше, чем в плоскости p-n перехода ( десятки угловых градусов и единицы градусов соответственно).(см.рис.)

При этом пятно излучения представляет собой эллипс, большая ось которого перпендикулярна плоскости p-n перехода.

Рассмотренные п/п лазеры называются гомогенными . К недостаткам таких лазеров относятся следующие:

1)во встречных потоках электронов и дырок, встречающихся в области p-n перехода, успевают рекомбинировать не все электронно-дырочные пары, так как время их нахождения в области p-n мало;

2)часть излучения, распространяющегося в области p-n перехода, уходит за его пределы, в области, где усиление отсутствует.

Это значительно ухудшает энергетические параметры, К.П.Д., и повышает пороговые токи генерации.

Для устранения этих недостатков были предложены так называемые гетероструктурные п/п лазеры, где вероятность рекомбинации пар электрон-дырка значительно повышается за счет создания потенциального барьера, увеличивающего время нахождения электронов в области p-n перехода (за счет отражений от него ), и потенциальных ям, так же волноводного эффекта(использование явления полного

внутреннего отражения), что достигается тем, что области, прилегающие к p-n переходу , имеют показатель преломления, больший чем область p-n перехода (т.е. за счет соответствующего профиля показателя преломления).

Это достигается в гетерострутурных лазеров, один из примеров который показан на рисунке(материалы , энергетическая диаграмма и распределение показателя преломления):

(рис.) Гетероструктура с двусторонним ограничением.

1 2 3

Такие лазеры имеют низкие пороги генерации, высокий КПД и значительные мощности излучения, которые могут быть увеличены значительно за счет использования лазерных линеек и решеток.

Ввиду малости длины резонатора может быть обеспечен одномодовый режим генерации.ген обычно еденицы –десятки Å.

При использовании в резонаторе дифракционной решетки может составлять до 0.04нм

(0.4Å) .

Заметим, что длина волны излучения сильно зависит от температуры, т.к. при изменении ее

меняется ширина запрещенной зоны εЗ.З., а hc/ ≥∆εЗ.З..

Несмотря на большую угловую расходимость выходящего излучения, она может быть легко скомпенсирована с помощью оптики (например, линзы), т.к. размеры излучающей поверхности малы (модель точечного источника).

Мощность излучения гетероструктурных лазеров может составлять многие десятки мВт при токах накачки 200-300 мА.

В настоящее время удалось увеличить излучающий объем ( область p-n перехода) за счет увеличения его ширины ( от долей мм до 1 см), что позволило получать мощность излучения одного п/п лазера до единиц Вт в непрерывном режиме.

Как уже указывалось, одиночные п/п лазеры используются для накачки твердотельных лазеров. Использование лазерных матриц, состоящих из нескольких ( до 25 ) лазерных линеек, каждая из которых содержит до 50 лазеров, позволяет получать мощность непрерывного режима до нескольких кВт!

Такие системы линейки и матрицы могут использоваться, в частности, для накачки мощных твердотельных лазеров – одно из перспективных современных направлений лазерной техники.

элемент твердотельного лазера

до 20 см

излучение

п/п лазерная линейка для накачки твердотельного лазера

При этом можно получить излучение твердотельного лазера до нескольких кВт, да еще очень качественного. Его легко сфокусировать в пятно до 1 мкм, и можно вводить в

световод.

Дополнение.

Как уже указывалось, для накачки п/п лазеров может использоваться оптическая накачка, при этом используется чистый полупроводник (без примеси):

εфотона накачки > Δεз.з (должно быть).

При этом очень сильное поглощение и инверсия образуется при толщине около 1 мкм (что очень мало). Применяются редко.

В лазерах с накачкой электронным пучком также используются чистые полупроводники. Электронно-дырочные пары при этом образуются за счет энергии пучка электронов, бомбардирующих атомы полупроводника (неупругие соударения). Один электрон пучка может образовать десятки-сотни электронно-дырочных пар.

При этом толщина инверсии может достигать сотен мкм (преимущество), значит и больше мощности, но очень сложная устройство, вакуум, охлаждение.

Но можно использовать большое количество различных полупроводников, т.е. p-n переход с одновременным вырождением электронов и дырок может быть реализован в весьма ограниченном классе полупроводников.

На рисунке, показана схема одного из вариантов использования полупроводникового лазера с возбуждением электронным пучком:

Выходное зеркало резонатора

Излучение генерации

Э лектронный пучок

(материалы, используемые в п/п лазерах – см. справочник).

Исследователи обратили внимание на то, что если бы в активном веществе была бы получена инверсия населённости, гораздо превышающая пороговое значение, т.е

ïîð , процесс генерации развивался бы значительно быстрее и в пространстве (т.к.

– это относительное увеличение интенсивности на единице длины активной среды) и во

времени (т.к.энергия запасённая в виде инверсия была бы быстрее переведена в поле генерации). Т.о. это привело бы к резкому сокращению длительности импульса генерации и к значительному увеличению импульсной мощности.

Как следует из рис.1 значительного увеличения инверсии N (показано пунктиром) и, следовательно, можно достичь и в обычной схеме лазера, устранив фактор, не

позволяющий ей существенно возрасти по отношению к пороговому значению ïîð

(которым является возникновение генерации в обычной схеме генерации). Это можно реализовать, существенно подняв значение Nïîð ( ïîð ) в схеме генератора, что не

позволяет начаться генерации в момент t1 . Тогда инверсия населенностей в активной среде будет продолжать нарастать под действием накачки, и может достигнуть значений, гораздо больших ïîð в обычной схеме. Увеличить Nïîð ( .. ) можно за счёт

можно за счет уменьшения добротности резонатора, т.е. увеличения потерь в нём. Если затем в момент, когда инверсия N и, следовательно, достигнет своего максимального значения, вновь резко увеличить добротность (уменьшить потери) резонатора до первоначального значения, генерации начнётся и будет происходить при >> ïîð , что и

приведет к резкому сокращению длительности импульса. Длительность генерации при

этом может составлять 10 8 10 9 с, мощность генерации достигать значений 109 и более Вт. Такой режим генерации, когда вначале (с момента начала накачки до достижения максимальной инверсии в активной среде) добротность резонатора мала, а

затем резко увеличивается, получил название режима модуляции добротности резонатора или Q – модуляции.

Реализовать указанный режим работы можно различными способами: оптикомеханическими, электрооптическими, магнитооптическими, с помощью нелинейных поглотителей (пассивный метод) и др. При этом, за исключением случая пассивной модуляции добротности, управляют добротностью резонатора относительно момента включения накачки, так называемыми модуляторами добротности резонатора (переключателями потерь). В случае пассивной модуляции добротности в резонатор вносится элемент с пассивными характеристиками (например, нелинейным отражением или поглощением).

Рассмотрим подробнее осуществление такого режима генерации с помощью нелинейного поглотителя.

1- глухое зеркало; 2- выходное зеркало; 3- активный элемент; 4- система накачки; 5- нелинейный поглотитель

рис.2

Если такой поглотитель хорошо поглощает излучение на рабочем переходе и уменьшает поглощение с увеличением интенсивности излучения (вследствие явления насыщения поглощения) можно представить работу лазера следующим образом.

При включении накачки в активном элементе увеличивается величина Nmn ,

усиливается спонтанное излучение. При появлении инверсии населенностей появляется суперлюминесценция (усиленная люминесценция за счет вынужденных переходов), но пока это излучение не очень интенсивно, поглотитель хорошо его поглощает, и излучение не достигает левого зеркала 1 (рис. 2,а) (добротность резонатора мала). Инверсия населенности N (t) продолжает нарастать, существенно усиливается суперлюминесценция вдоль оси резонатора (т.к. наибольший путь в активной среде) и при больших мощностях этого излучения (это соответствует большим значениям )

нелинейный поглотитель просветляется, при этом включается в работу зеркало 1 и добротность резонатора резко возрастает. При этом начинается развитие генерации, которое включает этап медленного развития (этап ), и этап быстрого развития короткого импульса (этап ). Описанные процессы иллюстрируются рис.2,б. Примером такой реализации может быть помещение красного светофильтра в схему рубинового лазера. В настоящее время, как уже указывалось, используются следующие методы модуляции добротности:

1.оптико-механические;

2.электрооптические;

3.магнитооптические;

4.пассивные (используются нелинейные оптические процессы – нелинейное

поглощение и отражение).

При оптико-механической модуляции, как правило, используется призма полного внутреннего отражения в качестве глухого зеркала, вращающаяся с высокой угловой скоростью.

3

2

1

рис.3

Блок синхронизации синхронизирует начало импульса накачки и положения призмы таким образом, чтобы в момент образования в активном элементе максимальной инверсии населенностей призма находилась бы в отъюстированном положении.

В случае электрооптической модуляции добротности резонатора применяется ячейка Керра (использует эффект Керра в жидких средах) или ячейка Поккельса (использует эффект Поккельса в твердых телах), которые помещаются в резонатор лазера и управляются электрическими сигналами.

На рис.4 показан случай использования ячейки Поккельсона.

1 – активный элемент; 2 – зеркала резонатора; 3 – ячейка Поккельса; 4 – поляризатор; 5 – поляризатор; 6 – система синхронизации; 7 – система накачки;

рис.4

Элементы 3,4,5 образуют электрооптический затвор Поккельса. Поляризаторы 4 и 5 находятся в скрещенном положении. Прозрачность затвора Поккельса может изменяться в зависимости от подаваемого на него напряжения от полностью непрозрачного состояния (затвор закрыт) до прозрачного (затвор открыт). Система синхронизации 6 позволяет открывать затвор в момент , когда с помощью накачки реализуется в активном элементе 1 максимальная инверсия. Аналогичным образом работает и лазер с магнитооптическим затвором, использующим эффект Фарадея, работа которого управляется магнитным полем, создаваемым соленойдом, через который пропускается ток.